仿生机器鱼设计与编程

本书主要介绍仿生学及仿生机器鱼，机器鱼的机械结构、装配过程、硬件控制、软件编写等，而且全书图文并茂，通俗易懂，同时还有相关的配套产品，非常适合青少年、鱼类仿生和机器人等领域的爱好者阅读和参考，也适合研究人员阅读与借鉴。

 

青少年是祖国的未来，加强对他们的科普教育，可以提高他们的创新精神和实践能力。《仿生机器鱼设计与编程》作为一本面向中小学生的科普教材，它优化了传统教材仅通过图文方式向读者传授知识的方式。本教材拥有配套仿生机器鱼，读者可以在组装和操作机器鱼的过程中学习机器鱼的机械机构、硬件控制和软件操作等知识；在学习理论知识的同时，结合机器鱼实例，将有助于理解相关知识。本书介绍了仿生学及仿生机器鱼，机器鱼的机械结构、装配过程、硬件控制、软件编写等内容，适合青少年、鱼类仿生和机器人等领域的爱好者阅读和参考，也适合研究人员阅读与借鉴。

科普机器鱼编写组是中国科学院自动化研究所研究员王硕带领的仿生机器鱼研发团队，本团队已开发了蓝牙版单关节仿生机器鱼、Wi-Fi版单关节仿生机器鱼、多关节仿生机器鲤鱼和波动鳍水下航行器等一系列仿生机器鱼。该研究团队主要成员有：中科院自动化所助理研究员王宇，主要负责总体设计规划；机械工程师段小广、芦虎武，主要负责机械结构设计及生产；硬件工程师魏金辉、刘青峰，主要负责硬件开发设计；软件工程师刘巍，主要负责手机App开发。

目 录
第1章 仿生学及仿生机器鱼 / 1
1.1 仿生学简介 / 2
1.1.1 仿生学的由来 / 2
1.1.2 仿生学的研究范围 / 3
1.1.3 仿生学的研究方法 / 5
1.1.4 仿生学的经典实例 / 6
1.2 仿生机器鱼 / 13
1.2.1 概述 / 13
1.2.2 仿生机器鱼能做什么 / 15
1.2.3 仿生机器鱼的研究目的和意义 / 17
1.2.4 国内外仿生机器鱼的研究现状 / 20
第2章 仿生机器鱼机械结构 / 27
2.1 仿生机器鱼外形与机构的设计 / 27
2.2 仿生机器鱼的机械结构 / 29
2.3 仿生机器鱼机械结构设计详解 / 32
2.3.1 鱼头设计 / 33
2.3.2 鱼体设计 / 33
2.3.3 鱼尾设计 / 35
2.3.4 鱼皮设计 / 35
第3章 仿生机器鱼装配图文详解 / 37
3.1 清点零件，核对数量 / 37
3.2 减速机构和曲柄摇杆机构的装配 / 42
3.3 电机、电池、电路板的装配 / 48
3.4 鱼头、鱼骨的装配 / 51
3.5 鱼皮、鱼头壳的装配 / 54
第4章 仿生机器鱼控制系统 / 56
4.1 供电系统 / 57
4.2 电机控制 / 58
4.3 LED灯控制 / 60
4.4 鱼尾位置的检测 / 61
4.5 蓝牙通信 / 63
第5章 基于51单片机的机器鱼控制工程 / 65
5.1 STC15W40x系列单片机 / 66
5.2 STC15W408AS原理图讲解 / 66
5.3 灯光控制电路 / 67
5.4 电机控制电路 / 69
5.5 51单片机与蓝牙通信 / 70
第6章 编程介绍及Android实例 / 74
6.1 编程语言、Android及蓝牙4.0 / 75
6.1.1 编程语言简介 / 75
6.1.2 Android简介 / 76
6.1.3 蓝牙4.0 / 78
6.2 Android实例——编写自己App / 79
6.2.1 软件功能介绍 / 79
6.2.2 开发环境部署 / 81
6.2.3 个程序 / 82
6.2.4 程序说明 / 92
6.2.5 程序运行流程 / 98
6.2.6 用户交互 / 99
6.2.7 搜索蓝牙设备 / 103
6.2.8 连接蓝牙设备 / 117
6.2.9 发送数据 / 127
6.2.10 控制仿生机器鱼连续游动 / 140
附录 编程语言发展史 / 144
参考文献 / 151

前  言

科学技术是生产力，是经济发展的重要推动力量，是衡量一个国家、一个民族生产力水平高低的重要标志。在科学技术飞速发展的今天，谁不重视科学技术，谁就会落后；近代中国的屈辱史，时刻警醒我们落后就要挨打。当今世界，各国之间激烈的经济竞争、科技竞争，归根结底是人才的竞争。人是科技的创造者、发明者、传播者和使用者，是科技的载体，谁拥有高素质的人才，谁就拥有竞争力。青少年作为祖国的未来，他们对科学技术掌握的程度往往决定了一个国家未来的竞争力。因此，加强对青少年的科普教育，提高他们的创新精神和实践能力尤为重要。

鱼类作为地球上古老的生物之一，经过了亿万年的演化，拥有高效率、高机动性、高敏感性等非凡本领，可适应不同的水域环境。作为仿生学重要的分支之一的仿生机器鱼，就是通过对鱼类的仿生来实现这些非凡的本领，从而弥补现有航行器的不足。仿生机器鱼是一个涉及仿生学、材料学、机械学、控制理论、通信工程、传感器等多学科领域的智能机器。本书在国内外学者研究成果的基础上，对仿生机器鱼做了简单的介绍，并以中科步思德（洛阳）智控科技有限公司研制的蓝牙版仿生机器鱼为例，对机器鱼的机械机构、硬件设计、软件设计分别进行了详细介绍。该机器鱼是在作者所在研究组的研究成果的基础上进行改进设计而成的，并申请了实用新型专利——“一种水下高仿真机器鱼机构与系统”。该机器鱼拥有漂亮的外观，并能在水中逼真地游动，在全国各地的科技展中吸引了广大中小学生的围观，因而抢足了风头。

本书作为一本科普教材，与市面上同类教材相比，其的特色是拥有配套科普产品，让青少年在理论学习的同时能够通过动手操作来加深对仿生机器鱼的理解。

全书分为6章。第1章主要介绍仿生学及仿生机器鱼；第2、3章为机械设计，先介绍机器鱼机械构造及各部分的设计，然后通过生动的图文详细讲解机器鱼的装配过程，注重理论学习与实际操作相结合，以帮助读者深入理解机器鱼的结构设计；第4、5章为机器鱼的硬件控制系统设计，介绍机器鱼游动、灯光颜色等是如何实现的；第6章在简单介绍编程语言的基础上，通过实例讲解App的编写过程。

本书第1～3章由机械设计工程师段小广编写，第4、5章由硬件开发工程师魏金辉编写，第6章由软件开发工程师刘巍编写。全书由中国科学院自动化研究所王宇助理研究员主编并统稿，中国科学院自动化研究所研究员王硕担任顾问。

本书参考了大量的资料，在此对相关作者表示感谢。由于编者水平有限，疏漏之处敬请谅解。同时，如果内容和引文的标注方面有所遗漏，请广大读者谅解并予以指正。

 

科普机器鱼编写组 

2017年3月28日于北京